CN115841041A - 基于火灾模拟的半封闭矿热炉烟气量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于引用火灾模型的思路测算大型半封闭矿热炉烟气量的计算方法，包括获取半封闭矿热炉焖烧后，进行捣炉、扎料操作时，单位时间内平均火灾载荷密度，获取半封闭矿热炉捣炉、扎料操作时释放的CO及炉口参与燃烧的还原剂完全燃烧的理论时间以及计算得到半封闭矿热炉捣炉、扎料操作后，轰燃阶段的最大热释放速率，获得半封闭矿热炉的烟气体积流量。该方法结合生产操作选用半封闭矿热炉最差的工况条件与火灾发生轰然阶段产生最大火灾热释放速率的情况相拟合，得出半封闭矿热炉最差工况与稳定、持续生产情况下的烟气量倍数关系，从而得出半封闭矿热炉的最大烟气体积流量为使用空气过量系数法合理选取半封闭矿热炉烟气量提供优选参考。

Description

基于火灾模拟的半封闭矿热炉烟气量计算方法

技术领域

本发明属于冶炼工艺技术领域，特别涉及一种适用于引用火灾模型的思路测算大型半封闭矿热炉烟气量的计算方法。

背景技术

矿热炉主要用于还原冶炼矿石，碳质还原剂及溶剂等原料。矿热炉内矿石中氧化物被碳还原，不断生成CO从炉口逸出，在炉口处接触空气稳定燃烧。另外，在炉口部位还会有部分损失的还原剂参与燃烧反应。

目前半封闭矿热炉烟气量计算方式主要使用过量空气系数法，即利用半封闭矿热炉炉口可燃气体燃烧实际所供给的空气质量与燃烧所需理论空气质量的比值，即过量空气系数λ，来控制烟气量的大小。

以半封闭矿热炉炉内反应的物料平衡为基础，测算还原出来的可燃气体(主要成分为CO)量，根据可燃气体燃烧所需空气量和半封闭矿热炉的***漏风选取λ值。***漏风量主要取决于矿热炉生产炉况和冶炼操作习惯，在设计阶段难以精准预测，多数以设备企业经验为主。因此最终λ取值一般在18～25Nm³/h范围不等，随之测算出的烟气量不同。而且矿热炉容量越大，由此带来的烟气量选取差异越大，***配置不近相同，为保证矿热炉配套设施运行能力，设备厂家大多倾向于直接选取最大的工艺参数。

以工业硅矿热炉为例，2010年以后建设的第一批33MVA容量矿热炉烟气量取值约16～18万Nm³/h。在以后的运行过程中总结发现，烟气量取值过小，***配置不足，排烟***也不尽合理。实际生产中产生的装置冒烟、漏烟，吸风口附近流速过大，“吸穿带料”现象等各类问题明显。

随着近几年工业硅行业的迅速发展，新一批33MVA的工业硅炉型又以急剧扩张的态势建设、投产。从大多数的33MVA工业硅矿热炉生产线配置来看，矿热炉烟气处理所配套的***工艺参数取值已经普遍突破20万Nm³/h，多数选取22～23万Nm³/h，更高者达到25万Nm³/h烟气量。而在***配置上还要在以上工艺参数基础上考虑***本身的运行率、运行系数等，***配置越来越大，建设投资越来越高，运行成本也居高不下。

发明内容

本发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种基于火灾模拟的半封闭矿热炉烟气量计算方法，该方法基于有可燃气体稳定、持续产生情况下的火灾模拟进行烟气量计算，结合生产操作最差的工况条件对烟气量进行校核，得出本发明的烟气量计算结果，用以与目前众多的空气过量系数法取值情况下的计算结果加以对比，为使用空气过量系数法合理选取半封闭矿热炉烟气量提供优选参考。

本发明是通过下述技术方案来实现：基于火灾模拟的半封闭矿热炉烟气量计算方法，其特征在于：设定矿热炉生产时的平均可燃产物生成及燃烧情况作为炉口燃烧的稳定阶段，设定矿热炉捣炉、扎料炉况作为炉口燃烧的轰燃阶段，选取稳定阶段到轰燃阶段作为半封闭矿热炉炉口燃烧的研究区间，以该炉口部位燃烧情况作为基础模型，计算半封闭矿热炉生产过程中烟气量的具体过程为：

步骤一：获取半封闭矿热炉焖烧后，进行捣炉、扎料操作时，单位时间内平均火灾载荷密度Q_Pmax，单位为MJ/㎡，

式中：n为焖烧时间系数，取焖烧时间t₁与单位时间的比值；

ω为半封闭矿热炉生产产品Si元素含量百分比，单位为％；

Q_h为半封闭矿热炉产量，单位为t/h；

H_ico为CO燃烧热值，单位为MJ/kg；

H_ic为碳质还原剂燃烧热值，单位为MJ/kg；

d为炉口燃烧面直径，d＝Φ+0.7，单位为m；

步骤二：获取半封闭矿热炉捣炉、扎料操作时释放的CO及炉口参与燃烧的还原剂完全燃烧的理论时间t₀，单位为min，

式中：q_t为房间设计火灾载荷密度，MJ/㎡；

D为烟罩内径，单位为m；

H为烟罩净空高度，单位为m；

Φ为炉膛直径，单位为m；

h为半封闭矿热炉烟罩各类通风口的当量高度，单位为m；

A_v为半封闭矿热炉烟罩各类通风口的面积，单位为㎡；

步骤三：计算得到半封闭矿热炉捣炉、扎料操作后，轰燃阶段的最大热释放速率Q_max，单位为kW，

以获取最大烟气量的计算值为目的，假设炉内全部的热释放速率Q_max对应的热量全部被烟气带走，且在600℃时达到稳定状态，依据此时烟气的比热容和烟气密度，则烟气质量流量M，单位为kg/h和体积流量G，单位为m³/h的关系式为：

式中：M为半封闭矿热炉烟气质量流量，单位为kg/h；

ρ为600℃时烟气密度，单位为kg/m³；

C为烟气的比热容，单位为J/(kg·℃)；

其中，计算获得的G即为半封闭矿热炉的最大烟气流量，通过最大烟气流量折合标况，则获得为使用空气过量系数法选取半封闭矿热炉烟气量的最优取值上限。

本发明所述的基于火灾模拟的半封闭矿热炉烟气量计算方法，其在所述步骤一中，以半封闭矿热炉内碳质还原剂主要用于原料矿中SiO₂还原的反应方程式为基础，推导出半封闭矿热炉生产时，反应生成的CO均匀地从炉口部分溢出，产生的CO量为：

q_co＝2.22H_ico·ω·Q_h

半封闭矿热炉生产时，炉口存在碳质还原剂的直接燃烧损失，取固定碳的10％计入烧损，则参与燃烧的碳质还原剂量为：

以煤为还原剂时q_c1＝0.2H_ic·ω·Q_h；

以焦炭为还原剂时q_c2＝0.13H_ic·ω·Q_h；

基于以求得最大Q_max为目标，则直接选取q_c1式的值，即：

q_c＝0.2H_ic·ω·Q_h

设定产生的CO和烧失的还原剂完全燃烧，即燃烧因子取值为1；

其中，火焰燃烧面积为

即为0.785(Φ+0.7)²，则燃烧空间内，单位时间的平均设计火灾载荷密度计算式如下：

基于以获取最大烟气量的计算为目的，设定焖烧期间无还原气体溢出料面，焖烧过后释放出的还原气体集中在炉口部位燃烧，直至产生轰燃作为燃烧的研究阶段，以最多的焖烧期间产生的还原气体CO量来参与计算，以便得到轰燃时最大的可燃物热释放速率，即轰燃时最大火灾载荷密度Q_max按下式计算：

最后，将q_co以及q_c的计算公式带入上述中，从而得到步骤一中Q_max的计算公式。

本发明所述的基于火灾模拟的半封闭矿热炉烟气量计算方法，其在所述步骤二中，理论时间t₀的计算公式为：

式中q_t为半封闭矿热炉设计火灾载荷密度，MJ/㎡；η为通风系数，单位为m^1/2；

由于单位炉内火灾载荷密度越大，火灾热释放速率越大，产生的烟气量越多，t₀也应该最大，因此，q_t＝Q_pmax；

其中，

式中：A_v为半封闭矿热炉内所有通风口面积，单位为㎡；

h为半封闭矿热炉内通风口的当量高度，单位为m；

A_t为烟罩侧壁及顶部面积之和，单位为㎡；

其中，半封闭矿热炉的通风口包括：炉周设置的供捣炉操作的炉门A_v1，烟罩缝隙面积A_v2，烟罩顶部环形通风口A_v3及炉口与烟罩内壁环隙A_v4，沿烟罩外周下部均匀设置的炉周进风口面积A_v5；

半封闭矿热炉的通风口当量高度分别为：炉周设置的供捣炉操作的炉门高度h_v1，烟罩缝隙宽度h_v2，烟罩顶部环形通风口的宽度h_v3及炉口与烟罩内壁环隙的宽度h_v4，炉周进风口高度h_v5；

即：

半封闭矿热炉的烟罩侧壁及顶部面积之和A_t计算公式为：

式中：D为烟罩内径，单位为m；

H为烟罩净空高度，单位为m；

则半封闭矿热炉捣炉、扎料后产生轰燃时的通风系数η的计算公式为：

将通风系数η、轰燃时最大火灾载荷密度Q_pmax的计算公式带入上述中，得：

最后，整理得到步骤二中理论时间t₀的计算公式。

本发明所述的基于火灾模拟的半封闭矿热炉烟气量计算方法，其在所述步骤三中，半封闭矿热炉炉口部位的燃烧可采用t²火灾模拟模型来表述：即Q＝αt²，

式中：Q为火灾的热释放率，单位为kW；

α为火灾热释放率的增长系数，单位为kW/s²，取0.04689；

t为火灾发生的时间，单位为s，为得到最大的火灾热释放速率，设定热释放时间t内，炉口可燃物全部燃尽，即t＝t₀；

将步骤一中Q_max、q_co、q_c的计算公式以及步骤二中t₀的计算公式带入采用t²表述的火灾模拟模型中，整理得：

根据目前半封闭矿热炉的热平衡数据初步测算结果假设，循环水***带走的热损失速率为Q_S，则Q_S的最大值也达不到Q的1/4，基于以获取最大烟气量的计算值为目的，因此设定Q_S＝1/4Q，炉内全部的热释放速率Q_max＝Q+Q_S，故炉内全部的热释放速率计算式如下：

整理得到步骤三中轰燃阶段的最大热释放速率Q_max的计算公式。

本发明所述的基于火灾模拟的半封闭矿热炉烟气量计算方法，其在所述步骤三中，达到轰燃时的临界热释放速率可采用下式进行校核，即：

此时设定火灾热释放速率达到最大值，空间内轰燃后持续稳定燃烧，无空间外发展蔓延现象，以此计算出的数据再运用烟气质量流量M和体积流量G的关系式得出半封闭矿热炉烟气量计算值，两种方式的计算结果基本一致。

本发明所述的基于火灾模拟的半封闭矿热炉烟气量计算方法，其在所述步骤三中，计算出的烟气量G为不考虑压强差异情况下的半封闭矿热炉工况烟气量，换算成标况烟气量G₀依据计算式：

单位为Nm³/h。

该方法基于有可燃气体稳定、持续产生情况下的火灾模拟进行烟气量计算，结合生产操作选用半封闭矿热炉最差的工况条件与火灾发生轰然阶段产生最大火灾热释放速率的情况相拟合，得出半封闭矿热炉最差工况与稳定、持续生产情况下的烟气量倍数关系，从而得出半封闭矿热炉的最大烟气体积流量计算方法。再经其他火灾热释放速率计算公式校核，计算结果处于合理选用的区间值内。本发明的烟气量计算结果用以跟目前众多的空气过量系数法取值情况加以对比，为使用空气过量系数法合理选取半封闭矿热炉烟气量提供优选参考。

基于本发明提出的火灾模拟情况下的半封闭矿热炉烟气量测算值与火灾情况对应的机械防排烟理论，对现有半封闭矿热炉集、排烟***的合理设计提出优化理念和设计思路，为整体提升现生产阶段半封闭矿热炉排烟***的效果提供参考。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对本发明实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

一种基于火灾模拟的半封闭矿热炉烟气量计算方法，首先，对半封闭矿热炉内燃烧类型及火灾模拟的初始化参数进行设定，将半封闭矿热炉炉口部位的燃烧视为气态可燃物与助燃分子的扩散燃烧。根据建筑物室内(指具有顶棚、枪体和开口结构的受限空间，本发明指矿热炉烟罩内)火灾发展阶段分析，矿热炉内单位时间内可燃物均匀生成、释放，在炉口部位持续燃烧的现象符合火灾的稳定燃烧阶段，即燃料持续供应，通风良好，燃烧持续发展。

而半封闭矿热炉生产过程中存在焖烧、捣炉、扎料等操作工艺。焖烧期间不进行任何料面维护操作，料面以下还原产生的CO气体聚集。一定程度后，需进行捣炉、扎料操作，让炉内还原气体集中释放、燃烧。因此，半封闭矿热炉的生产过程是炉内还原气周期性积聚和释放的过程。

本发明设定矿热炉生产时单位时间内可燃物均匀生成、释放，在炉口部位持续燃烧的情况作为炉口燃烧的稳定阶段，设定矿热炉捣炉、扎料炉况作为炉口燃烧的轰燃阶段，选取稳定阶段到轰燃阶段作为半封闭矿热炉炉口燃烧的研究区间，此区间存在非稳态燃烧特征。即针对半封闭矿热炉生产最差的情况进行研究、分析，用以反应最极端情况的燃烧主要特征结果、烟气量及防排烟需求。本发明以该炉口部位燃烧情况作为基础模型，计算半封闭矿热炉生产过程中烟气量的具体过程为：

步骤一：获取半封闭矿热炉焖烧后，进行捣炉、扎料操作时，单位时间内平均火灾载荷密度Q_Pmax，单位为MJ/㎡，

式中：n为焖烧时间系数，取焖烧时间t₁与单位时间的比值；

ω为半封闭矿热炉生产产品Si元素含量百分比，单位为％；

Q_h为半封闭矿热炉产量，单位为t/h；

H_ico为CO燃烧热值，单位为MJ/kg，取1.18MJ/kg；

H_ic为碳质还原剂燃烧热值，单位为MJ/kg，取31MJ/kg；

d为炉口燃烧面直径，单位为m，取经验值炉膛直径Φ+0.7。

半封闭矿热炉主要用于生产工业硅、硅铁合金、硅铬合金等产品，半封闭矿热炉内碳质还原剂主要用于原料矿中SiO₂的还原，主要化学反应方程式为：

SiO₂+2C＝Si+2CO↑

以上述反应方程式为基础，推导出半封闭矿热炉生产时，反应生成的CO均匀地从炉口部分溢出，产生的CO量为：

q_co＝2.22H_ico·ω·Q_h

半封闭矿热炉生产时，炉口存在碳质还原剂的直接燃烧损失，取固定碳的10％计入烧损，则参与燃烧的碳质还原剂量为：

以煤为还原剂时q_c1＝0.2H_ic·ω·Q_h；

以焦炭为还原剂时q_c2＝0.13H_ic·ω·Q_h；

基于以求得最大Q_max为目标，则直接选取q_c1式的值，即：

q_c＝0.2H_ic·ω·Q_h

设定产生的CO和烧失的还原剂完全燃烧，即燃烧因子取值为1。燃烧仅考虑以上两种燃料，木块、木炭、电极氧化等其他可燃物忽略不计。

其中，火焰燃烧面积为

即为0.785(Φ+0.7)²，则燃烧空间内，单位时间的平均设计火灾载荷密度计算式如下：

因工业硅矿热炉烟罩内为热流平衡、稳定的状态，不仅存在可燃物燃烧，也存在换热平衡的温度场，其中以大面积的热物料与进入炉内的漏风之间的换热最为显著。因此，物料表面与漏风量之间的热辐射载荷密度不容忽视。

上式1.25系数选取是考虑炉内热的壁面、料面以T＝600℃的稳定温度下向初始进入炉内的t’＝40℃空气辐射传热时考虑的辐射系数，取上限值1.25。即烟罩内温度场稳定在600℃，即烟罩内壁温度、烟气温度、引入的环境空气加热后的温度均相等。

半封闭矿热炉以工业硅生产最为典型，生产过程中存在焖烧、捣炉、扎料等操作工艺。焖烧是半封闭矿热炉生产的常规操作，矿热炉烟罩除进风口外其他炉门均为关闭状态，此期间不进行任何料面维护操作。焖烧期间，炉内料面结壳，阻碍炉内气体匀速溢出，此时炉内料面以下热效率、电效率、反应速率最优，利于冶炼。当炉内还原产生的CO气体聚集一定程度后，需应用捣炉、扎料设备定时拨开料层，让炉内还原气体释放。因此，半封闭矿热炉的生产过程是炉内还原气周期性积聚和释放的过程。

焖烧过后，进行的捣炉、扎料操作期间是反应产生的还原气CO相对集中地在炉口部位燃烧，焖烧过程中的烟气则以少量外溢的CO燃烧产物和门缝进入的环境风为主。两种操作情况对应的烟气量相差较大，可燃物的燃烧速率不同，集中燃烧过程的热释放速率远大于Q_P。

本发明基于以获取最大烟气量的计算为目的，设定焖烧期间无还原气体溢出料面，焖烧过后释放出的还原气体集中在炉口部位燃烧，直至产生轰燃作为燃烧的研究阶段，以最多的焖烧期间产生的还原气体CO量来参与计算，以便得到轰燃时最大的可燃物热释放速率，即轰燃时最大火灾载荷密度Q_max按下式计算：

最后，将q_co以及q_c的计算公式带入上述中，从而得到步骤一中Q_max的计算公式。

步骤二：获取半封闭矿热炉捣炉、扎料操作时释放的CO及炉口参与燃烧的还原剂完全燃烧的理论时间t₀，单位为min，

式中：q_t为房间设计火灾载荷密度，MJ/㎡。

具体地，理论时间t₀的计算公式为：

式中q_t为半封闭矿热炉设计火灾载荷密度，MJ/㎡；η为通风系数，单位为m^1/2。

由火灾燃烧理论可知，由于单位炉内火灾载荷密度越大，火灾热释放速率越大，产生的烟气量越多，t₀也应该最大，因此，q_t＝Q_Pmax。

依照《建筑钢结构防火技术规范》中公式(6.1.3-2)，

在上述规范中公式选取了0.53系数，是指在轰燃过程中有窗户破裂情况下的实际通风口数据，考虑了火灾产生破坏力情况下对于窗***裂时产生的不规则破洞对于窗口尺寸的相对系数。而对于工业硅生产，通风口尺寸、位置固定，燃烧期间通风口的实际面积即为有效通面积，此公式转换0.53系数为1，即，

/>

式中：A_v为半封闭矿热炉内所有通风口面积，单位为㎡；

h为半封闭矿热炉内通风口的高度，单位为m；

A_t为烟罩侧壁及顶部面积之和，单位为㎡。

其中，半封闭矿热炉的通风口包括：炉周设置的供捣炉操作的炉门A_v1，烟罩缝隙面积A_v2，烟罩顶部环形通风口A_v3及炉口与烟罩内壁环隙A_v4，沿烟罩外周下部均匀设置的炉周进风口面积A_v5；

半封闭矿热炉的通风口当量高度分别为：炉周设置的供捣炉操作的炉门高度h_v1，烟罩缝隙宽度h_v2，烟罩顶部环形通风口的宽度h_v3及炉口与烟罩内壁环隙的宽度h_v4，炉周进风口高度h_v5；

即：

半封闭矿热炉着火范围几乎覆盖炉口全部面积，仅在A_v4没有可燃物燃烧，因此矿热炉烟罩内炉口着火面不计入A_t，即A_t为半封闭矿热炉的烟罩侧壁及顶部面积之和，其计算公式为：

式中：D为烟罩内径，单位为m；

H为烟罩净空高度，单位为m；

则半封闭矿热炉捣炉、扎料后产生轰燃时的通风系数η的计算公式为：

将通风系数η、轰燃时最大火灾载荷密度Q_Pmax的计算公式带入上述中，得：

最后，整理得到步骤二中理论时间t₀的计算公式。

步骤三：计算得到半封闭矿热炉捣炉、扎料操作后，轰燃阶段的最大热释放速率Q_max，单位为kW。

具体地，半封闭矿热炉炉口部位的燃烧相比于火灾规模属于面积较小的着火空间，具有非稳态燃烧的特征，可采用t²火灾模拟模型来表述：即Q＝αt²，

式中：Q为火灾的热释放率，单位为kW；

α为火灾热释放率的增长系数，单位为kW/s²，本计算结合参与燃烧的物质特性，选用火灾发展阶段快速火火灾增长系数，取0.04689；

t为火灾发生的时间，单位为s，为得到最大的火灾热释放速率，设定热释放时间t内，炉口可燃物全部燃尽，即t＝t₀。

将步骤一中Q_max、q_co、q_c的计算公式以及步骤二中t₀的计算公式带入采用t²表述的火灾模拟模型中，整理得：

因半封闭矿热炉整体为热流平衡的稳定状态。炉口可燃物的热释放速率与设备冷却介质带走的热量和设备外表面敷设热带走的热量损失速率之和才能与炉内输入的所有电热、反应热速率之和保持平衡。矿热炉设备本体外表面温度很低，对外热辐射的热量相比于大基数的热量输入值很小，忽略不计。矿热炉设备循环冷却水***集中布置在炉口、炉心反应区，会带走一定的热量Q_S。

根据目前半封闭矿热炉的热平衡数据初步测算结果假设，循环水***带走的热损失速率为Q_S，则Q_S的最大值也达不到Q的1/4，基于以获取最大烟气量的计算值为目的，因此设定Q_S＝1/4Q，炉内全部的热释放速率Q_max＝Q+Q_S，故炉内全部的热释放速率计算式如下：

整理得到步骤三中轰燃阶段的最大热释放速率Q_max的计算公式，即

同样地，以获取最大烟气量的计算值为目的，假设炉内全部的热释放速率Q_max对应的热量全部被烟气带走，且在600℃时达到稳定状态，依据此时烟气的比热容约1214J/(kg·℃)和烟气密度约0.40kg/m³，则烟气质量流量M，单位为kg/h和体积流量G，单位为m³/h的关系式为：

式中：D为烟罩内径，单位为m；

H为烟罩净空高度，单位为m；

h为半封闭矿热炉烟罩各类通风口的当量高度，单位为m；

A_v为半封闭矿热炉烟罩各类通风口的面积，单位为㎡；

n为焖烧时间系数；

ω为半封闭矿热炉生产产品Si元素含量百分比，单位为％；

Q_h为半封闭矿热炉产量，单位为t/h；

φ炉膛直径，m。

其中，计算出的烟气量G为不考虑压强差异情况下的半封闭矿热炉工况烟气量，换算成标况烟气量G₀依据计算式：

单位为Nm³/h。则获得为使用空气过量系数法选取半封闭矿热炉烟气量的最优取值上限。

由烟气质量流量M和体积流量G的关系式可知，基于燃烧角度的半封闭矿热炉烟气量与半封闭矿热炉的产品定位，操作习惯和烟罩的设计参数直接相关。其中烟罩的设计需保证以上述基于燃烧角度的火灾模拟计算方法得出的烟气量能得到有效收集和排出。

另外，针对步骤三中的计算结果，达到轰燃时的临界热释放速率可采用下式进行校核，即：

此时设定火灾热释放速率达到最大值，空间内轰燃后持续稳定燃烧，无空间外发展蔓延现象，轰燃燃烧为通风控制型，通风、排烟***对于空间内燃烧情况无影响，热释放速率保持最大值不变，以此计算出的数据再运用烟气质量流量M和体积流量G的关系式得出半封闭矿热炉烟气量计算值。两种方式的计算结果基本一致。

以下为基于火灾模拟的烟气量计算实例，具体为：

半封闭矿热炉生产以工业硅产品最为典型。本次计算示例选取目前行业内最大容量的33MVA工业硅半封闭矿热炉进行烟气量计算。

步骤一：获取33MVA工业硅半封闭矿热炉单位时间内平均火灾载荷密度Q_Pmax。

工业硅产品Si元素含量百分比ω为99％。

产量Q_h为2.08t/h。

炉膛直径Φ为7.1m。

则小时产生的CO量q_c0约4.58t/h。

还原剂选为全煤，煤的燃烧量q_c约0.42t/h。

火焰燃烧面积为A＝51.5m²。

烟罩内可燃物单位时间的平均设计火灾载荷密度Q_P＝442.2MJ/m²。

焖烧时间系数n取1，焖烧时间t₁为1h。

33MVA工业硅矿热炉进行捣炉、扎料操作后，产生轰燃时的最大火灾载荷密度Q_Pmax＝798.0MJ/m²。轰燃为工业硅矿热炉焖烧1h后产生，假设焖烧阶段可燃气体均聚集在料层以下，无溢出。当发生轰燃时燃烧物热释放速率为最大。值得说明的是实际生产过程中，焖烧期间CO溢出料面速率较低，不全部仅聚集在料层以下。以上假设仅为得到最大的参与燃烧的可燃物量，从而计算出最大的火灾载荷密度。

步骤二：获取33MVA工业硅半封闭矿热炉捣炉、扎料操作时释放的CO及炉口参与燃烧的还原剂完全燃烧的理论时间t₀(min)。

矿热炉内设计火灾载荷密度q_t＝Q_pmax＝798.0MJ/㎡。

33MVA半封闭矿热炉通风口参数包括：

炉周设置的供捣炉操作的炉门尺寸约3.6×1.7m，共计3个，A_v1＝18.36㎡，炉周设置的供捣炉操作的炉门高度h_v1＝1.7m。

烟罩缝隙仅考虑小炉门门缝，小炉门尺寸约2.9m×1.2m，门缝面积A_v2＝0.11㎡，烟罩缝隙宽度h_v2＝0.04m。

烟罩顶部环形通风口A_v3＝52.82㎡，通风口宽度h_v3＝1.77m。

炉口与烟罩内壁环隙A_v4＝12.98㎡，环隙宽度h_v4＝0.38m。

沿烟罩外周下部均匀设置的炉周进风口面积A_v5＝10.61㎡，炉周进风口高度h_v5＝0.3m。

燃烧所在的空间即为烟罩的圆柱形空间，D＝11.26m，H＝3.35m。

半封闭矿热炉烟罩壁面之和A_t＝217.97㎡。

计算出半封闭矿热炉捣炉、扎料后产生轰燃时的通风系数η＝0.5。

将以上通风系数η、矿热炉内设计火灾载荷密度Q_pmax代入理论时间t₀的公式中，计算得出工业硅矿热炉捣炉、扎料操作产生的轰燃现象，所有可燃物理论烧尽时间t₀＝16.6min＝996s。

步骤三：计算得到33MVA工业硅半封闭矿热炉捣炉、扎料操作后，轰燃阶段的最大热释放速率。

将以上t₀代入t²火灾模拟模型，计算得出t²火灾模拟模型的火灾增长热释放速率Q＝46504kW，换算为Q＝167416MJ/h。

考虑到33MVA工业硅半封闭矿热炉整体为热流平衡的稳定状态。炉口可燃物的热释放速率与设备冷却介质带走的热量和设备外表面敷设热带走的热量损失速率之和才能与炉内输入的所有电热、反应热速率之和保持平衡。矿热炉循环水***带走的热损失速率为Q_S，则Q_S的最大值取Q的1/4。计算出Q_max＝209270MJ/h。

同样地以获取最大烟气量的计算值为目的，假设炉内全部的热释放速率Q_max对应的热量全部被烟气带走，且在600℃时达到稳定状态。依据此时烟气的比热容约1214J/(kg·℃)，烟气密度约0.40kg/m³。则33MVa工业硅半封闭矿热炉烟气体积流量G为760934m³/h。

此外，针对上述G的计算结果进行进一步校核，即校核达到轰燃时的临界热释放速率Q_fo＝153203MJ/h，Q_fomax＝191503MJ/h，则33MVA工业硅半封闭矿热炉烟气体积流量G’＝760934m³/h，两种计算方式的结果一致。

不考虑压强差异情况下的将半封闭矿热炉工况烟气量换算成标况烟气量G_O，则单台33MVA工业硅矿热炉烟气量折合标况约21.8万～23.8Nm³/h，与传统烟气量过氧系数计算方法结果相符合,且为生产过程中的最大烟气量。即应用燃烧理论测算工业硅矿热炉炉口烟气产生量具有一定的准确性。

由以上计算过程可知，各参数选取均以获得最大烟气量计算结果设定，并考虑生产波动，因此本计算结果优选22.5万Nm3/h的烟气量作为单台33MVA工业硅矿热炉烟气量的上限值。随着建设地自然条件不同，烟气量会受海拔、温度等影响而小于此计算值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于火灾模拟的半封闭矿热炉烟气量计算方法，其特征在于：设定矿热炉生产时的平均可燃产物生成及燃烧情况作为炉口燃烧的稳定阶段，设定矿热炉捣炉、扎料炉况作为炉口燃烧的轰燃阶段，选取稳定阶段到轰燃阶段作为半封闭矿热炉炉口燃烧的研究区间，以该炉口部位燃烧情况作为基础模型，计算半封闭矿热炉生产过程中烟气量的具体过程为：

步骤一：获取半封闭矿热炉焖烧后，进行捣炉、扎料操作时，单位时间内平均火灾载荷密度Q_Pmax，单位为MJ/㎡，

式中：n为焖烧时间系数，取焖烧时间t₁与单位时间的比值；

ω为半封闭矿热炉生产产品Si元素含量百分比，单位为％；

Q_h为半封闭矿热炉产量，单位为t/h；

H_ico为CO燃烧热值，单位为MJ/kg；

H_ic为碳质还原剂燃烧热值，单位为MJ/kg；

d为炉口燃烧面直径，d＝Φ+0.7，单位为m；

步骤二：获取半封闭矿热炉捣炉、扎料操作时释放的CO及炉口参与燃烧的还原剂完全燃烧的理论时间t₀，单位为min，

式中：q_t为房间设计火灾载荷密度，MJ/㎡；

D为烟罩内径，单位为m；

H为烟罩净空高度，单位为m；

Φ为炉膛直径，单位为m；

h为半封闭矿热炉烟罩各类通风口的当量高度，单位为m；

A_v为半封闭矿热炉烟罩各类通风口的面积，单位为㎡；

步骤三：计算得到半封闭矿热炉捣炉、扎料操作后，轰燃阶段的最大热释放速率Q_max，单位为kW，

以获取最大烟气量的计算值为目的，假设炉内全部的热释放速率Q_max对应的热量全部被烟气带走，且在600℃时达到稳定状态，依据此时烟气的比热容和烟气密度，则烟气质量流量M，单位为kg/h和体积流量G，单位为m³/h的关系式为：

式中：M为半封闭矿热炉烟气质量流量，单位为kg/h；

ρ为600℃时烟气密度，单位为kg/m³；

C为烟气的比热容，单位为J/(kg·℃)；

其中，计算获得的G即为半封闭矿热炉的最大烟气流量，通过最大烟气流量折合标况，则获得为使用空气过量系数法选取半封闭矿热炉烟气量的最优取值上限。

2.根据权利要求1所述的基于火灾模拟的半封闭矿热炉烟气量计算方法，其特征在于：在所述步骤一中，以半封闭矿热炉内碳质还原剂主要用于原料矿中SiO₂还原的反应方程式为基础，推导出半封闭矿热炉生产时，反应生成的CO均匀地从炉口部分溢出，产生的CO量为：

q_co＝2.22H_ico·ω·Q_h

半封闭矿热炉生产时，炉口存在碳质还原剂的直接燃烧损失，取固定碳的10％计入烧损，则参与燃烧的碳质还原剂量为：

以煤为还原剂时q_c1＝0.2H_ic·ω·Q_h；

以焦炭为还原剂时q_c2＝0.13H_ic·ω·Q_h；

基于以求得最大Q_max为目标，则直接选取q_c1式的值，即：

q_c＝0.2H_ic·ω·Q_h

设定产生的CO和烧失的还原剂完全燃烧，即燃烧因子取值为1；

其中，火焰燃烧面积为

即为0.785(Φ+0.7)²，则燃烧空间内，单位时间的平均设计火灾载荷密度计算式如下：

基于以获取最大烟气量的计算为目的，设定焖烧期间无还原气体溢出料面，焖烧过后释放出的还原气体集中在炉口部位燃烧，直至产生轰燃作为燃烧的研究阶段，以最多的焖烧期间产生的还原气体CO量来参与计算，以便得到轰燃时最大的可燃物热释放速率，即轰燃时最大火灾载荷密度Q_max按下式计算：

最后，将q_co以及q_c的计算公式带入上述中，从而得到步骤一中Q_max的计算公式。

3.根据权利要求1所述的基于火灾模拟的半封闭矿热炉烟气量计算方法，其特征在于：在所述步骤二中，理论时间t₀的计算公式为：

式中：q_t为半封闭矿热炉设计火灾载荷密度，MJ/㎡；

η为通风系数，单位为m^1/2；

由于单位炉内火灾载荷密度越大，火灾热释放速率越大，产生的烟气量越多，t₀也应该最大，因此，q_t＝Q_pmax；

其中，

式中：A_v为半封闭矿热炉内所有通风口面积，单位为㎡；

h为半封闭矿热炉内通风口的当量高度，单位为m；

A_t为烟罩侧壁及顶部面积之和，单位为㎡；

其中，半封闭矿热炉的通风口包括：炉周设置的供捣炉操作的炉门A_v1，烟罩缝隙面积A_v2，烟罩顶部环形通风口A_v3及炉口与烟罩内壁环隙A_v4，沿烟罩外周下部均匀设置的炉周进风口面积A_v5；

半封闭矿热炉的通风口当量高度分别为：炉周设置的供捣炉操作的炉门高度h_v1，烟罩缝隙宽度h_v2，烟罩顶部环形通风口的宽度h_v3及炉口与烟罩内壁环隙的宽度h_v4，炉周进风口高度h_v5；

即：

半封闭矿热炉的烟罩侧壁及顶部面积之和A_t计算公式为：

式中：D为烟罩内径，单位为m；

H为烟罩净空高度，单位为m；

则半封闭矿热炉捣炉、扎料后产生轰燃时的通风系数η的计算公式为：

将通风系数η、轰燃时最大火灾载荷密度Q_pmax的计算公式带入上述中，得：

最后，整理得到步骤二中理论时间t₀的计算公式。

4.根据权利要求1所述的基于火灾模拟的半封闭矿热炉烟气量计算方法，其特征在于：在所述步骤三中，半封闭矿热炉炉口部位的燃烧可采用t²火灾模拟模型来表述：即Q＝αt²，

式中：Q为火灾的热释放率，单位为kW；

α为火灾热释放率的增长系数，单位为kW/s²，取0.04689；

t为火灾发生的时间，单位为s，为得到最大的火灾热释放速率，设定热释放时间t内，炉口可燃物全部燃尽，即t＝t₀；

将步骤一中Q_max、q_co、q_c的计算公式以及步骤二中t₀的计算公式带入采用t²表述的火灾模拟模型中，整理得：

根据目前半封闭矿热炉的热平衡数据初步测算结果假设，循环水***带走的热损失速率为Q_S，则Q_S的最大值也达不到Q的1/4，基于以获取最大烟气量的计算值为目的，因此设定Q_S＝1/4Q，炉内全部的热释放速率Q_max＝Q+Q_S，故炉内全部的热释放速率计算式如下：

整理得到步骤三中轰燃阶段的最大热释放速率Q_max的计算公式。

5.根据权利要求4所述的基于火灾模拟的半封闭矿热炉烟气量计算方法，其特征在于：在所述步骤三中，达到轰燃时的临界热释放速率可采用下式进行校核，即：

此时设定火灾热释放速率达到最大值，空间内轰燃后持续稳定燃烧，无空间外发展蔓延现象，以此计算出的数据再运用烟气质量流量M和体积流量G的关系式得出半封闭矿热炉烟气量计算值，两种方式的计算结果基本一致。

6.根据权利要求1所述的基于火灾模拟的半封闭矿热炉烟气量计算方法，其特征在于：在所述步骤三中，计算出的烟气量G为不考虑压强差异情况下的半封闭矿热炉工况烟气量，换算成标况烟气量G₀依据计算式：

单位为Nm³/h。